第14章高層建築結構
14.1 概述
15.1.1高層建築定義
10層及以上，或高度28m及以上。
（房屋高度：自室外地面至房屋主要屋面的高度）
我國根據不同結構體系，將房屋可建高度分為a、b兩個等級，其中b級高度高於a級高度，與此同時，對b級高度房屋結構的要求相應更嚴格。
15.1.2高層建築的發展
15.1.3高層建築受力特點
（1）水平力成為影響結構內力、變形及土建造價的主要因素，要求更有效的抗側結構體系。
（2）大重力荷載對材料強度提出更高的要求，也促進使用各種更有效的豎向受力構件和截面形式，如鋼管混凝土、鋼骨混凝土及組合鋼管混凝土等。
15.1.4高層建築結構水平位移的控制
（1）正常使用條件下對層間位移的限制
保證結構基本處於彈性受力狀態／混凝土梁、柱構件的裂縫數量和寬度限制在規範允許的範圍以內／保證填充牆、隔牆和玻璃幕牆等非結構構件完好，避免產生明顯損傷。
（2）罕遇烈度**下的層間彈塑性變形限制
保證「大震不倒」的概念設計要求
15.1.5高層建築的優缺點
節約土地資源，綜合利用社會資源，改善城市環境
造價高，管理複雜，產生新的社會問題，**、火災等災害作用下存在較大風險，對能源構成極端的依賴。
15.2 結構體系與布置原則
15.2.1豎向結構體系
四大常規體系：
（1）框架結構
由豎向柱子和框架梁等水平結構體系構成的抗側結構體系。
特點：空間功能靈活，但抗側剛度低，可建高度低。
（2）剪力牆結構
由豎向鋼筋混凝土牆和水平樓蓋體系構成的抗側結構體系。
特點：抗側剛度大，可建高度較高，但空間功能受限制。
（3）框架－剪力牆結構
框架和剪力牆通過水平樓蓋體系的協同作用形成的組合抗側結構體系。
特點：保持了框架結構空間功能靈活的優點，同時具有抗側剛度大、可建高度高等特點。
（4）筒體結構
結構具有豎向懸臂筒的特點，豎向結構在水平截面上的應力分布具有明顯的腹板作用和拉、壓翼緣現象。
特點：抗側剛度大，可建高度高，空間功能靈活，但對結構平面有相應的限制，一般以圓形和正多邊形為宜，矩形平面要求長短邊之比不超過2。
以上四種結構體系通常稱為四大常規體系
（5）板柱結構體系
15.2.2水平結構體系
水平結構體系即水平樓蓋結構，各類豎向結構體系依賴水平結構體系。總體要求樓蓋結構具有足夠的水平剛度、承載力和整體性。
15.2.3其它結構體系
懸掛結構，巨型框架結構，豎向桁架結構等。
15.2.4高層建築結構布置的一般原則
平面布置
（1）儘量減少扭轉影響：建築外形宜簡單、規則、對稱；結構布置宜對稱、均勻，盡量使結構剛度中心、建築平面形心、建築質量中心重合；剪力牆宜沿平面周邊布置。
（2）確保樓蓋剛度：限制長寬比，限制凹進凸出的尺寸。
（3）確保樓蓋承載力：限制樓蓋最小厚度，確保樓蓋最小水平寬度，加強凹角。
豎向布置
（1）總原則：豎向體型宜規則、均勻，避免過大的外挑內收。剛度宜下大上小，逐漸變化。
（2）剛度：樓層側向剛度不宜小於相鄰上層的70%或其上相鄰三層側向剛度平均值的80%。
（3）受剪承載力：
a級――層間抗剪承載力不宜小於其上一層的80%，不應小於其上一層的65%；
b級――層間抗剪承載力不應小於其上一層的75%。
限制高寬比
變形縫平面體型複雜或分割槽錯層時應採用防震縫將平面分割成相對簡單的部分；高差懸殊或地基差異較大時應採用沉降縫將結構分開；結構平面過長時應採用伸縮縫將結構分開。
當有抗震設防要求時，各種變形縫均應滿足防震縫的要求。
後澆帶沿建築長度方向，設定後澆帶將結構分為若干段，每段長度30~40m，後澆帶寬度範圍鋼筋盡量採用搭接，可解決或緩解混凝土收縮對整體結構的不利影響，減少結構收縮開裂的風險。在不影響施工等條件下，後澆帶寬度宜盡可能寬；後澆帶混凝土宜在帶外混凝土澆注後不少於60天的較低環境溫度下澆注。
圖15-1 後澆帶設定位置示意
15.3 高層建築上的作用
15.3.1重力作用
重力作用包括：結構自重，地面裝修，牆體重量，裝置重量，人群荷載等。
15.3.2風荷載
建築整體分析採取的風荷載按下式計算
其中，－風壓標準值（kn/m2）；－風載體型係數，與建築外形有關，按荷載規範確定；—風壓高度變化係數；—基本風壓，對高度不超過60m的高層建築，可按重現期50年確定，對高度不小於60m的高層建築，重現期按100年確定。
15.3.3**作用
結構受**動影響而產生振動，相應的慣性力即為**對結構產生的**作用。**作用可按以下三種方法進行計算。
（1）振型分解反應譜法
（2）底部剪力法
（3）彈性時程分析法
15.3.4溫度作用和混凝土收縮作用
結構隨溫度改變的脹縮變化受到約束時，即在結構內產生溫度內力。溫度內力可使結構開裂，當與荷載內力疊加時可能影響結構安全。
混凝土結硬獲得強度的同時產生收縮，當此種收縮受到約束時即產生收縮應力（內力），收縮應力可使結構開裂。
15.4 框架結構
15.4.1組成與布置
（1）組成
① 以梁柱桿件為主要受力構件組成的結構體系，稱為框架結構。
② 由梁柱桿件組成的平面框架可視為基本的結構單元。對規則的框架結構平面，平面框架可細分為橫向平面框架和縱向平面框架。
③ 橫向、縱向平面框架通過樓面板的組合作用，構成可承擔豎向荷載、水平作用的空間框架結構體系。
（2）框架結構的布置原則
① 柱網布置應滿足功能的要求（生產工藝）；
② 柱網布置應滿足建築平面布置的要求；
③ 柱網布置應盡可能使結構受力更合理；
④ 柱網布置應方便施工。
（3）承重框架布置
① 橫向框架承重方案；
② 縱向框架承重方案；
③ 縱橫向框架承重方案。
對現澆樓面結構，樓面荷載根據雙向板跨和次梁布置情況向承重框架傳遞。
（4）計算單元
所謂計算單元，指可以獨立承擔由建築功能確定的各種作用的基本結構單元。
對規則框架結構，可按橫向框架和縱向框架分別提取計算單元。
（5）計算簡圖
用以反映計算單元受力特徵的力學模型。對框架結構計算單元，計算簡圖按如下方法確定：
① 梁柱用線性直杆代替，對現澆節點按剛結點考慮；
② 計算簡圖中的層高取為相應層樓面板之間的距離，對底層取為二層樓面至基礎頂面的距離；
③ 計算簡圖中的跨度取為相鄰柱子中心線間的距離。
④ 對現澆樓板，梁剛度應作調整，中間梁截面剛度取2.0i0，邊梁截面剛度取1.5i0。
15.4.2 豎向荷載作用下的分層法
（1）基本假定
樓面梁上的豎向荷載只對本層梁和上下層柱產生彎矩和剪力的影響
（2）計算方法和步驟
以樓面梁為目標，作出只包含本層梁和相鄰層柱的子結構框架簡圖；
① 對子框架採用彎矩分配法計算彎矩圖；
② 各子框架彎矩圖迭加，組裝出整體框架彎矩圖，並對節點不平衡彎矩進行一次分配；
③ 完成彎矩圖後可求出整體框架的剪力圖、軸力圖。
注意事項：在對子框架進行彎矩計算時，考慮到子框架柱子上下端處理成固定端人為增大了柱子的剛度，應作出相應的修整：將柱子的線剛度乘以0.
9的增減係數（底層柱除外），同時將彎矩傳遞係數由1/2降為1/3（底層柱除外）。組裝成整體框架彎矩圖後，對節點不平衡彎矩進行分配時則不進行上述修正。
15.4.3 水平荷載作用下的反彎點法
（1）基本假定
① 求各柱的分配剪力時，假定梁的剛度為無窮大，即梁柱節點不發生轉動；
② 求柱子反彎點時，除柱底外，假定各柱上下層節點轉角相同，即一般層反彎點在柱高中點，底層柱反彎點距柱底2/3層高處。
③ 在已知柱端彎矩的條件下，樑端彎矩總和可由節點平衡條件求出，並可按左右梁的線剛度進行分配。
（2）計算方法與步驟
① 樑端不轉動時第層第柱的抗側剛度為；
② 第層的總抗側剛度為，層間總剪力為；
③ 第層第柱分得的剪力為；
④ 根據分得的柱子剪力和反彎點高度，可計算出全部柱子的柱端彎矩；
⑤ 對任意節點c，只要求出上下柱端彎矩和，即可求出左右梁端的彎矩：
；⑥ 求出框架整體彎矩後，即可求出框架的剪力圖和軸力圖。
15.4.4 水平荷載作用下的修正反彎點法—d值法
（1）柱子抗側剛度的修正
假定：① 目標柱及與目標柱相鄰的上下層柱線剛度相同；
② 目標柱及與目標柱相連的上下層柱、左右側梁的節點轉角相同；
③ 目標柱所在層及上下層的層間側移相同。
④ 根據以上假定求出柱子的抗側剛度為：，其中為小於1的修正係數。
（2）柱子層間剪力的分配
除柱子的剛度採用d值外，層間剪力在柱子之間的分配與反彎點法相同。
（3）柱子反彎點高度的確定
① 確定標準反彎點高度係數；
② 考慮上下層橫樑線剛度不同對反彎點高度的修正（對底層柱不考慮該項修正），反彎點向剛度較弱的樓面梁所在的方向移動，向上移動時為正，向下移動時為負；
③ 考慮上層層高變化對反彎點高度的修正係數（對頂層不考慮該項修正），考慮下層層高變化對反彎點高度的修正係數（對底層不考慮該項修正），反彎點向層高變大的方向移動，向上移動時為正，向下移動時為負；
④ 反彎點高度（指離本層柱底的高度）：
注意事項：所謂標準反彎點高度係數，是指框架梁柱線剛度沿高度不變，層高不變，並在指定荷載形式下求得的與層數有關，與柱子所在樓層有關的柱子反彎點高度係數。
（4）框架內力圖的確定
採用d值在柱子之間分配層間剪力，並按修正後的反彎點高度係數計算柱子反彎點高度後，可按與反彎點法完全相同的方法和步驟計算框架的彎矩圖、剪力圖和軸力圖。
15.4.5 框架結構側移計算及限值
（1）層間側移計算
按照框架柱抗側剛度的定義，柱子剪力與層間側移的關係為：
層間剪力與層間側移的關係為：
層間側移：
（2）頂點側移
（3）側移特徵
框架結構層間側移與層間剪力成正比，而層間剪力自上而下逐漸增大。雖然下部框架柱的抗側剛度高於上部框架柱，但總體情況是底部樓層的層間側移最大，自下而上框架的層間側移逐漸減小，這與普通懸臂杆的彎曲變形曲線明顯不同，而與懸臂杆的剪下變形曲線相似，故稱框架側移具有剪下型特徵。
注意事項：雖然框架側移曲線具有剪下型特徵，但側移並不是由柱子截面的剪下變形產生，相反，是由柱子桿件的彎曲變形和梁柱節點轉動構成的。關於這一點，只要回顧柱子抗側剛度的定義以及層間側移的計算方法便可明了。
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